zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm va chạm đầu dummy

Chia sẻ: Bobietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

23
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo này nhắm đến việc tạo ra một mô hình đầu dummy ứng dụng trong nghiên cứu mô phỏng công nghiệp. Để đạt được mục tiêu này, tác giả đã xây dựng một mô hình thực tế đầu dummy được gia công từ mô hình đầu dummy 3D.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm va chạm đầu dummy

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM VA CHẠM ĐẦU DUMMY RESEARCH DUMMY HEAD ON SIMULATION AND TESTING NGUYỄN TIẾN ĐẠT, TRẦN THANH TÙNG* Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: tung.tranthanh2@hust.edu.vn 1. Giới thiệu Tóm tắt Vấn đề thử nghiệm va chạm trong nhiều lĩnh vực Đầu người là bộ phận trên cơ thể người cần được khác nhau như: tàu thủy, máy bay, tàu hỏa, ô tô, các ưu tiên bảo vệ khi tai nạn xảy ra. Bài báo này sản phẩm bảo hộ,… để có thể đưa ra được cái đối nhắm đến việc tạo ra một mô hình đầu dummy ứng tượng đó có an toàn hay không đối với người sử dụng. dụng trong nghiên cứu mô phỏng công nghiệp. Để Các thử nghiệm va chạm này thường rất phức tạp nên đạt được mục tiêu này, tác giả đã xây dựng một cần một chi phí cao để thực hiện nhiều thử nghiệm mô hình thực tế đầu dummy được gia công từ mô khác nhau. Những công ty đồ bảo hộ cần phải thực hình đầu dummy 3D. Mô hình thực tế được gắn hiện các thử nghiệm kiểm tra chất lượng của sản phẩm. một cảm biến để đo gia tốc khi thí nghiệm va Các hãng xe ô tô mới ra đời mà muốn đưa xe vào thị chạm. Mô hình 3D còn được mô hình hóa thành trường thì cần qua các bài thử nghiệm trong đó có thử mô hình phần tử hữu hạn FE để đưa vào phần nghiệm va chạm. Ngày nay thiết kế xe an toàn là một mềm Hyper Works, sau đó chạy mô phỏng va trong những điều quan trọng nhất trong ngành công chạm lấy ra gia tốc của đầu. Kết quả chạy mô nghiệp ô tô. Và dummy được sử dụng là một dụng cụ phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm mô kiểm tra độ chính xác cao để đo lường khả năng hình đầu thực tế dummy về chỉ tiêu gia tốc trọng thương tích của con người trong các vụ tai nạn xe. Các tâm đầu. Từ đó thảo luận để rút ra kết luận về việc bài thử nghiệm để kiểm tra phản ứng của con người có thể sử dụng mô hình phần tử hữu hạn đầu đối với các tác động, gia tốc, biến dạng, lực và momen dummy để làm mô phỏng các bài toán sau này. quán tính sinh ra trong một vụ tai nạn. Mỗi hình nộm Từ khóa: Va chạm, thí nghiệm, mô phỏng, gia tốc. được thiết kế để mô hình hóa hình thức, trọng lượng Abstract và khớp nối của cơ thể con người. Hàng trăm cảm biến The head is the part of the human body that needs và đầu dò nằm trong hình nộm cung cấp dữ liệu cho to be protected first in the event of an accident. các kỹ sư kiểm tra an toàn, đo các lực vật lý chính xác This paper aims to create a dummy head model gây ra cho từng bộ phận cơ thể trong một sự cố sự cố. applied in industrial simulation research. To Một mô hình dummy thực tế cùng các thiết bị đo achieve this goal, the author has built a realistic đạc có giá rất cao, một bài kiểm tra sự cố thực sự sử model of the dummy head machined from the 3D dụng một chiếc xe cực kỳ tốn kém và sự lặp lại của dummy head model. The actual model is fitted bài kiểm tra là khá khó khăn. Do đó, mô phỏng máy with a sensor to measure the acceleration during tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được the crash test. The 3D model is also modeled into sử dụng rộng rãi. Đã có các nghiên cứu trước về việc a finite element model FE to put into Hyper Works xây dựng mô hình phần tử hữu hạn của dummy có độ software, then run a crash simulation to get the trung thực cao của dummy người lớn giới tính nữ và head acceleration. The simulation results are xác nhận mô hình FE đã xây dựng thông qua quá trình compared with the experimental results of the xác định vật liệu [1]. actual dummy head model in terms of the head Đầu người là bộ phận trên cơ thể người cần được center of gravity acceleration. From there, discuss ưu tiên bảo vệ số một do đây là bộ phận chứa hệ thần to draw conclusions about the possibility of using kinh và điều khiển các bộ phận khác trên cơ thể người. the first finite element model dummy to simulate Vì thế kiểm tra thử nghiệm va chạm với đầu trong thực later problems. tế và mô phỏng là công việc cần làm đầu tiên. Để tiếp Keywords: Crash, experiment, simulation, cận khía cạnh này, tác giả đã xây dựng một mô hình acceleration. thực tế đầu dummy và mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng bài toàn va chạm trên phần mềm Hyperworks. SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 173
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Mô hình thực tế đầu dummy được gắn cảm biến đo và 2.2. Phương pháp Explicit - bài toán va chạm tiến hành thí nghiệm lấy kết quả đo. Mô hình phần tử Phương pháp Expicit là các phương pháp được sử hữu hạn được mô phỏng giống hoàn toàn quá trình thí dụng trong phân tích số để thu được các giá trị số gần nghiệm thực tế và cũng xuất ra các kết quả đo. Khảo đúng đối với các nghiệm của các phương trình vi phân sát kết quả giữa hai mô hình, qua đó đánh giá mức độ thường và từng phần phụ thuộc thời gian [3]. tin cậy của mô hình phần tử hữu hạn. Từ đó có thể sử dụng để làm nhiều bài mô phỏng sau này như kiểm tra Phương pháp Expicit ứng dụng cho các bài toán an toàn khác như kiểm tra an toàn ô tô, an toàn túi khí, động diễn ra trong thời gian ngắn (nhỏ hơn 1 giây), kiểm tra an toàn cho mũ bảo hiểm hay kiểm tra an toàn bài toán va chạm tức thời, vận tốc lớn như va chạm xe của các đồ bảo hộ. hơi, thả rơi, bài toán có nhiều liên kết phức tạp, tính đến phá hủy. 2. Phương pháp nghiên cứu Phương trình cân bằng của động lực học tức thời 2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn được viết dưới dạng: Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài [ ] + + { }={ ( )} toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái Trong đó: M - Ma trận khối lượng; C - Ma trận ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi giảm chấn; K - Ma trận độ cứng. tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu,… đến những bài toán của lý thuyết trường Các đại lượng cơ bản như chuyển vị, vận tốc và gia như: Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ tốc được xác định từ các điều kiện ban đầu về chuyển đàn hồi, khí đàn hồi, điện - từ trường,... Với sự trợ vị và vận tốc theo thời gian. Tất cả các đại lượng khác giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, có thể được lấy từ những đại lượng này và quan trọng nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết nhất là các ứng suất của phần tử, biến dạng dẻo, lực kế chi tiết một cách dễ dàng [2]. tương tác và các năng lượng như động năng, thế năng. Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa Các phần mềm giải quyết phương trình cân bằng miền xác định của bài toán, bằng cách chia nó thành động sử dụng cho các vấn đề phi tuyến tính cao là dùng nhiều miền con hay phần tử. Các phần tử này được phương pháp Expicit. Một số ưu điểm của quy trình liên kết với nhau tại các điểm nút chung. Trong phạm như vậy và quan trọng nhất là nó dẫn đến một thuật toán vi của mỗi phần tử nghiệm được chọn là một hàm số có thể dễ dàng lập trình, không yêu cầu bất kỳ quy trình nào đó được xác định thông qua các giá trị chưa biết đảo ngược ma trận nào và hơn nữa là cực kỳ phù hợp tại các điểm nút của phần tử gọi là hàm xấp xỉ thoả với phương pháp tính toán song song nhanh. mãn điều kiện cân bằng của phần tử. Tập tất cả các Phần mềm Hyperworks được sử dụng là phần phần tử có chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến mềm phần tử hữu hạn và phần mềm cũng sử dụng dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết giữa các phương pháp Explicit để tính toán bài toán va chạm. phần tử. Kết quả đẫn đến một hệ phương trình đại số 3. Xây dựng bài toán tuyến tính mà ẩn số chính là các giá trị của hàm xấp 3.1. Xây dựng bài toán xỉ tại các điểm nút. Giải hệ phương trình này sẽ tìm Mô hình thực tế đầu dummy được gia công từ được các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút của bản vẽ 3D mô hình đầu dummy của tác giả Nguyễn mỗi phần tử, nhờ đó hàm xấp xỉ hoàn toàn được xác Tiến Phú thuộc Lab Simulation & Control, Bộ môn định trên mỗi một phần tử. ô tô và xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Một bài toán phần tử hữu hạn ngày nay muốn giải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Bản vẽ 3D này quyết luôn phải trải qua hai công đoạn: Pre-processing được xây dựng dựa trên mô hình Hybrid Dummy và post-processing. Pre-processing là quá trình tiền III, với kế thừa thông tin từ các bài báo quốc tế và phân tích gồm các công việc chia lưới và thiết lập điều bản vẽ “Hybrid III 50th percentile male” [6]. kiện biên cho mô hình. Post-processing là quá trình Mô hình thực tế đầu dummy gồm có 14 chi tiết giải, phân tích và xử lý kết quả. Quá trình từ xây dựng được bao gồm trong 2 cụm chi tiết lắp ráp lớn là phần mô hình tính toán cho đến xử lý kết quả sẽ được giới đầu và phần cổ. thiệu rõ hơn những phần sau. 174 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021)
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 và phương pháp in 3D với vật liệu nhựa TPU đặc 20%, nhựa PLA đặc 20%. Hình 1. Bản vẽ lắp 2D Bảng 1. Các chi tiết trong đầu dummy TT Tên chi tiết Số lượng 1 Da sọ sau 1 Hình 2. Bản vẽ lắp 3D 2 Sọ sau 1 3 Da sọ trước 1 4 Sọ trước 1 5 Đế lắp cảm biến 1 6 Khớp nối cổ trên 1 7 Ụ cao su 2 8 Khớp nối cổ dưới 1 9 Đĩa trên 1 10 Dây nối cổ 1 11 Đĩa cao su 4 12 Đĩa giữa 3 13 Đĩa dưới 1 Hình 3. Mô hình lắp ráp sau gia công 14 Bệ đỡ cổ 1 Bảng 2. Cách gia công và vật liệu các chi tiết Mạch đo gia tốc được kết nối giữa cảm biến gia tốc Mpu6050 với Arduino Nano. Các chân được hàn Cách nối mạch với nhau trên PCB đục lỗ hai mặt. TT Tên chi tiết gia Vật liệu công 1 Da sọ sau In 3D Nhựa PLA 2 Sọ sau In 3D Nhựa PLA 3 Da sọ trước In 3D Nhựa PLA 4 Sọ trước In 3D Nhựa PLA 5 Đế lắp cảm biến In 3D Nhựa PLA 6 Khớp nối cổ trên In 3D Nhựa PLA 7 Ụ cao su In 3D Nhựa TPU 8 Khớp nối cổ dưới Cơ khí Nhôm 6061 9 Đĩa trên Cơ khí Nhôm 6061 10 Dây nối cổ Cơ khí Thép C45 Hình 4. Sơ đồ mạch đo gia tốc 11 Đĩa cao su In 3D Nhựa TPU Arduino là một công cụ để điều khiển thiết bị điện 12 Đĩa giữa Cơ khí Nhôm 6061 tử. Lựa chọn Arduino nano để làm mạch điện trong đầu 13 Đĩa dưới Cơ khí Nhôm 6061 dummy vì thiết kế Arduino nano nhỏ gọn kích thước 14 Bệ đỡ cổ Cơ khí Nhôm 6061 18,5 x 43 (mm), phù hợp với không gian bên trong mô Mô hình sử dụng hai cách gia công là gia công cơ hình đầu dummy. Cảm biến gia tốc Mpu6050 là cảm khí sử dụng đồ gá, máy phay, máy tiện, máy khoan, biến 6 trục đo được gia tốc theo 3 trục tịnh tiến, 3 trục SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 175
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 quay [4]. Kích thước: 20,2 x 15,5 (mm). Vật liệu đưa vào mô phỏng giống với vật liệu làm Cảm biến của dummy được lắp vào điểm trùng với mô hình thực tế. trọng tâm của đầu, dựa theo kích thước dưới đây. 3.3. Thí nghiệm và mô phỏng va chạm Bài kiểm nghiệm thực tế là bài một con lắc đơn va chạm vào đầu dummy. Đây bài toán đơn giản, phù hợp với điều kiện thực hiện, dễ dàng tính toán được các thông số. Hình 5. Vị trí lắp đặt cảm Hình 6. Vị trí lắp đặt biến trên bản vẽ cảm biến thực tế Hình 7. Con lắc đơn Công cụ sử dụng để lập trình cho arduino và đọc Con lắc được chế tạo bằng phương pháp in 3D giá trị cảm biến là phần mềm Arduino IDE [5]. Giá trị bằng nhựa in PLA, với độ đặc 100% được kéo và thả đo được được gửi từ Arduino IDE tới File Excel gồm va chạm vào vị trí giữa trán đầu dummy. thời gian và gia tốc a theo ba phương X, Y, Z (ax, ay, Thông số đầu vào của bài kiểm tra: az) bằng tiện ích PLX-DAQ. Gia tốc tổng được tính theo công thức: · Khối lượng con lắc: 15gam; · Đường kính con lắc: 30mm; = + + · Chiều dài dây treo: 370mm; · Góc thả ban đầu: 900; 3.2. Mô hình phần tử hữu hạn · Điểm va chạm với đầu trùng với vị trí cân Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng trên phần bằng của con lắc đơn, vị trí va chạm cách mềm HyperWork của hãng Altair. Ở bài toán này, do đỉnh đầu dummy 50mm. mô hình có độ dày tương quan với chiều dài và chiều rộng nên ta chọn loại phần tử chia lưới là phần tử 3D với kích thước lưới là 6. Kích thước lưới này sẽ đảm bảo kích thước chia lưới không quá nhỏ dẫn đến kết quả chính xác nhưng thời gian tính toán lâu hoặc kích thước lưới quá lớn dẫn đến thời gian tính toán nhanh nhưng kết quả không chính xác. Bảng 3. Thông số vật liệu thép C45 Thông số Giá trị Modul đàn hồi E (Mpa) 210000 Hình 8. Thí nghiệm thực tế Khối lượng riêng (g/mm3) 7,85.10-9 Hệ số poisson 0,3 Vận tốc con lắc tại điểm bắt đầu va chạm vào đầu Bảng 4. Thông số vật liệu nhựa PLA 20% dummy được tính theo công thức bảo toàn năng lượng: Thông số Giá trị = Modul đàn hồi E (Mpa) 4400 Khối lượng riêng (g/mm3) 4,25.10-11 Từ các thông số đầu vào trên, thay số tính được Hệ số poisson 0,3 vận tốc v = 2,748m/s. Vận tốc này là đầu vào cho bài Bảng 5. Thông số vật liệu nhựa TPU đặc 20% toán mô phỏng, là vận tốc con lắc va chạm vào đầu Thông số Giá trị dummy. Con lắc được xây dựng mô hình phần tử hữu Modul đàn hồi E (Mpa) 2410 hạn với vật liệu thực tế và các thông số đầu vào trên. Khối lượng riêng (g/mm3) 9,6.10-10 Vị trí lấy gia tốc trong mô phỏng va chạm cũng Hệ số poisson 0,3897 trùng với điểm đặt cảm biến lấy gia tốc ở bài kiểm nghiệm thực tế. 176 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021)
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng 6. Thông số vật liệu con lắc - nhựa PLA đặc 100% Kết quả giá trị gia tốc cực đại tại thí nghiệm thực Thông số Giá trị tế là 22,36m/s2, mô phỏng là 24,10m/s2, với sai khác bằng 6,9%. Đây là sai khác chấp nhận được (

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.